低光亮度检测:Single-photon-counting模块使进步更快、更负担得起的现场即时诊断

SPCMs基于硅雪崩二极管提供快速、有效地检测多个光子为医疗应用程序参数。bob投注体育信赖吗

快速的技术进步使得single-photon-counting模块(SPCMs)用于广泛的新的应用程序。bob投注体育信赖吗直到最近,SPCMs使用主要在控制环境中,几乎只在实验室和研发的设置。今天,SPCMs被集成到OEM设备对于许多实际应用。bob投注体育信赖吗他们被用于检测和测量环境毒素等物质,蛋白质颗粒乳剂和解决方案,对于药物开发,癌症和遗传研究和临床实验室诊断。

同时,医疗的进步正在加速的需要快速和负担得起的即时(POC)的解决方案,新的分析和生物医学创新刺激发展。POC的大量市场需求日益增加的新仪器提供更好,更容易诊断。因此,日益复杂的POC的诊断和分析仪器需求正在推动交易量较大的制造业,以及高度复杂设备的集成和部署,包括SPCMs。

所需的信息诊断应用程序需要快速、高效的检测多光子荧光强度等参数,扩散,有生之年,bob投注体育信赖吗偏振。这些参数区分特定的基因或蛋白质特征的分子特征。SPCMs启用快速有效收集和测量这些和其他因素。

SPCMs是超灵敏的探测器,可以识别和单光子计数。可以基于这些探测器光电倍增管(pmt),雪崩二极管(adp)、硅光电倍增管(SiPMs),或超导纳米线。理想的SPCM是廉价,photon-detection效率高(PDE)在全光谱从紫外到近红外(近红外线)和零暗计数(“噪音”),after-pulsing和死时间。

在现实中,探测器的性格和模块之间的权衡设计使这个功能无法实现的理想组合。每个类型都有其缺点:PMT-based SPCMs倾向于提供更高的PDE的紫外光谱,但低于近红外线。APD-based SPCMs产生更高的暗计数相同的有效面积比其他detector-based设备。SiPM光子计数模块有很高的比其他类型的SPCMs寄生脉冲。超导纳米线光子计数探测器非常昂贵。

Silicon-APD-based SPCMs合并功能以最小的妥协的最佳组合的性能。小直径约150μm活跃的地区,他们的暗计数可以低至< 10项/ s。这种类型的模块响应波长从紫外线到近红外线具有良好的信噪比性能。它也有一个after-pulsing的概率不到1%,非常短的死时间的快速响应,和相对成本效益。

美国对光子计数,一个特殊的称为单光子雪崩二极管(SPAD;也称为美国盖革模式或GMAPD)是在“盖革模式”。In Geiger mode, the APD is biased at much higher than the breakdown voltage. By limiting the breakdown current, the APD can remain in a stable "off" condition above breakdown without being damaged. When a photon-generated carrier is released in the multiplication region of the SPAD, impact ionization can occur in which electrons and holes are released and multiplied. Single-photon absorption can create an avalanche breakdown that can result in the generation of as many as 10⁶电子。

Geiger-mode adp的淬火电阻器串联需要防止美国被雪崩电流损坏。随着电压的增加在电阻器在崩溃,adp的乘法地区的电压降低,美国最终熄灭。这就是所谓的“被动淬火”SPAD。一旦adp淬火或重置,二极管准备再次操作在击穿电压以上后续光子检测。这个passive-quenching电路的缺点是死亡时间越长二极管用于下一个光子检测。活跃的淬火可以使用,使用高速晶体管开关淬火和重置adp,允许更短死时间和更高的计数率。

一般来说,美国Geiger-mode需要温度稳定有效。因此,光电二极管是热电的冷却和温度控制,确保一致的性能和最佳的信噪比,尽管环境温度的变化。大多数SPCM电子给输出脉冲的形式transistor-to-transistor逻辑(TTL)脉冲光子检测易于集成到实验室仪器。

在许多新兴医疗、bioimaging和生命科学领域的应用,极低的光学信号检测和荧光波长650 - 900纳米的地区是bob投注体育信赖吗必要的。这需要高灵敏度的检测技术,包括SPCMs PDE的红色高近红外线范围。

这些应用程序bob投注体育信赖吗还需要SPCMs高数据率、高分辨率、低死亡时间(< 20 ns),和快速计数率。非常快的活跃淬火电路与死亡时间短和短脉冲将允许SPCM产生快速计数率来满足这种类型的应用程序的要求。

光子相关光谱法应用于蛋白质、纳米和分子分析在医疗保健领域。在这个测试技术中,探测器的低after-pulsing概率对获得准确的结果至关重要。寄生脉冲是由杂质在adp晶体结构的芯片。寄生脉冲的可能性概率表示随后引发了雪崩困高能电子从先前的雪崩。adp一样wafer-growth过程中的各个步骤,如剂量水平和扩散温度,有助于寄生脉冲,可以降低检测器的灵敏度和使它无效的用途。

PDE是光子探测器性能的最重要参数之一,它反映了探测器的能力单一入射光子转化为一个实际的电子输出信号。Geiger-mode adp的芯片结构定义了如何高效芯片可以吸收入射光子转换成电子。当一个低k美国因素(电子空穴电离率)Geiger-mode结合广泛的光子吸收区域(> 40μm),它将优化光子吸收600 - 950 nm范围和减少噪音的产生。这使得SPCM检测极低荧光或光信号红到近红外线地区与其他检测技术难以实现。

新电子零部件设计和印刷电路板(PCB)创新推动光子计数模块淬火电路从一个被动的淬火活跃,和发展从低带宽(只有few-megacounts-per-second计数率)和高after-pulsing今天要求更高的性能水平。

单分子数(SMC),单光子计数技术的一个分支,是启用新的诊断工具和更高层次的敏感性检测小多肽蛋白质。

SMC技术敏感100倍当代免疫分析平台,实现高灵敏度和精确low-abundance生物标志物的检测。这项技术可以应用于现有的和新发现的生物标记物来帮助医生的决策在多个疾病领域在急性和慢性疾病管理。

例如,SMC技术用于先进的心血管疾病检测和管理系统。心脏蛋白,肌钙蛋白,存在于健康的人类在极低的水平,不能被传统的方法,限制医生的临床诊断慢性心血管疾病的能力。以前可用的光子计数探测器没有足够高的红/近红外线PDE看到这个蛋白质分子的荧光发射特定波长范围。

红/高近红外线PDE silicon-APD-based光子计数探测器现在可以帮助医生测量极低的肌钙蛋白水平看似健康individuals-much低水平比以前可衡量的,允许前所未有的评估病人患心血管疾病的风险。

单光子计数还支持动态光散射(光子相关光谱法)来实现纳米粒子检测和计数。新的无创、快速、准确、易于使用的血液和血液制品的筛选系统是基于single-photon-correlation光谱学。BOBapp体育下载血小板在止血和炎症执行至关重要的功能。血小板的质量对输血至关重要。传统方法确定血液质量,常用在输血前,是耗时和缺乏详细的血小板质量的透明度,包括分裂成微粒。

动态光散射与单光子计数使分析血小板的大小、浓度和分布的微粒子,这一生可以快速、准确地测量(见图)。SPCM模块与PDE在红色的波长范围,高计数率和低噪声支持系统性能优越。结果让医生、外科医生和临床医生确定最适合病人的血液治疗,改善患者安全的创伤和手术以及优化用于福利。

LightIntegra ThromboLUX使用动态光散射测量的血小板质量(由LightIntegra技术);其low-light-sensing设备是一个single-photon-counting模块(SPCM;插图)。(由Excelitas技术)

另一个改善生活质量的快速分析仪器是diffuse-correlation-spectroscopy, single-photon-counting-detector-based neuromonitor。这个系统提供无创性监测脑深部组织的血液流动情况下如脑外伤、良性和恶性大脑肿瘤分化和早产婴儿的大脑发育。

脑组织血流量与健康和功能。流是衡量监测移动引起的光子散射的微小变化大脑的红细胞。光子在红色的波长范围。传统方法如宠物、SPECT、XeCT PCT,磁共振成像,和10月是繁琐的,昂贵的,入侵和/或限于分析脑组织的顶面。紧凑,成本效益高红/ SPCM近红外线PDE可以检测光子发射的一个小变化,允许高度敏感和真正的床边便携式系统深层组织血流监测。精确测量和监测,医生能够实现及时、适当的治疗方法。

SPCMs是独立的模块,满足低光亮度分析检测要求的单分子检测和计数。除了POC应用程序,模块也广泛应用于超bob投注体育信赖吗限分辨显微镜、荧光、粒子大小、单光子3 d激光雷达成像和纳米技术。SPCMs背后的关键许多纳米技术在人类健康领域,使科学和诊断仪器开发人员提供快速和可负担得起的健康影响的解决方案。

Geiger-mode adp的热敏特性需要精确和恒定的温度稳定的芯片本身保持低暗计数,并确保准确的光子计数。很难降低模块的规模,减少成本,同时提供必要的热分析系统环境中管理维护性能。热电冷却器(tec)可以是昂贵的,繁琐,消耗大量电力。和温度补偿电路不与美国在盖革模式下工作,因为大部分噪声对温度变化的敏感性。

各种装配和测试过程必须仔细精简压低成本为一个用户友好的模块在不影响质量和一致性。模块的总体碳足迹通常需要符合严格的空间需求POC的仪器,应合理的便携式用于临床检测。

发展越来越敏感single-photon-counting模块是一个技术创新的跳板。这些进步使医疗服务提供者能够检测越来越低水平的疾病指标更快,更经济,比以往更大的准确性。反过来,这推动了发展的更好,更小,更便宜的分析工具,可以获得较小的POC设施有限的空间和预算。所有这些进步的最终结果是帮助人们获得更好的医疗保健和早期疾病检测同时帮助控制医疗成本。

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